Методическое пособие 552

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Воронежский государственный технический университет»

Л. Н. Никитин, А. А. Пирогов, И. С. Бобылкин

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЯ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Утверждено учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2018

УДК 621.396.6(075) ББК 30.607я7

Н624

Рецензенты:

кафедра основ радиотехники и электроники Федеральное казённое образовательное учреждение высшего образования «Воронежский институт Федеральной службы исполнения наказаний» (начальник

кафедры канд. техн. наук, доцент Р. Н. Андреев); канд. техн. наук, доцент С. М. Федоров

Никитин, Л. Н.

Методы и средства испытаний и контроля приборов и систем [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые и граф.

Н624 данные ( 2,1 Мб) / Л. Н. Никитин, А. А. Пирогов, И. С. Бобылкин. - Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный

технический университет», 2018. – 1 электрон. опт. диск (CDROM): цв. – Систем. требования: ПК 500 и выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; SVGA с разрешением 1024x768; Adobe Acrobat; CD-

ROM дисковод; мышь. – Загл. с экрана.

ISBN 978-5-7731-0673-9

В учебном пособии изложены общие вопросы испытаний и контроля приборов и систем, представлена информация о классификации электронной аппаратуры.

Предназначено для бакалавров направлений 12.03.01 «Приборостроение» (профиль «Приборостроение») и 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» (профиль «Проектирование и конструирование электронных средств») очной формы обучения.

Ил. 39. Табл. 20. Библиогр.: 6 назв.

3

ВВЕДЕНИЕ

Целью учебного пособия является обобщение и систематизация учебно-методического обеспечения для бакалавров и магистров университета. В учебном пособии отражена методика изучения курса, изложены теоретические основы, необходимые для его успешного освоения в комплексе с задачами, примерами, лабораторными работами.

Необходимость контроля и испытаний приборов и электронных средств (ЭС) определяется тем, что из-за исключительной сложности конструкции и большого числа, взаимосвязанных между собой параметров и характеристик приборов и ЭС нельзя при выборе проектных, технологических и эксплуатационных решений полагаться только на априорные представления и теоретические предположения об их изменениях в различных условиях эксплуатации. Для подтверждения правильности выбранных и принятых новых решений необходим эксперимент - испытание.

Испытания относятся к числу наиболее ответственных и трудоемких этапов проектирования, производства и эксплуатации ЭС. Они классифицируются по видам и назначению, объему и содержанию, месту проведения и регламентируются соответствующими ГОСТ и ОСТ.

Приборы и ЭС в процессе эксплуатации подвергается воздействию окружающей среды. Среди множества факторов влияющих на работоспособность электронной аппаратуры (ЭА) можно выделить три вида воздействия характерных для любого климатического пояса - это воздействие положительной и отрицательной температуры и повышенной влажности. Под влиянием отмеченных факторов в материалах и элементах ЭА протекают сложные физико-технические процессы, изменяющие их свойства и способствующие отказам.

3

В связи с этим явилось необходимым:

–изучить влияние положительной и отрицательной температуры и влажности на изменение параметров электрорадиоэлементов и радиоматериалов и работоспособность ЭА;

–ознакомиться с принципом работы и конструкциями камер предназначенных для испытания ЭА на воздействие положительных и отрицательных температур и влаги в автоматизированном режиме; провести испытание ЭА на воздействие повышенных и пониженных температур и влаги в автоматизированном режиме.

Анализ технологических процессов испытаний и практика их проведения позволяют выделить характерные для всех видов испытания этапы, а именно: подготовку объекта и оборудования к испытаниям и собственно испытания. К последним относится управление процессом испытаний; измерение физических параметров объекта испытаний и внешних воздействий; обработка результатов измерений; анализ состояния объекта испытаний; выработка рекомендаций по корректировке проектных решений; регулировка; диагностирование и поиск неисправностей объекта испытаний; регистрация результатов или документирование технологического процесса испытаний.

Все перечисленные этапы состоят из сложных и трудоемких информационно-измерительных и управляющих процессов. Успешная их реализация невозможна без знания и правильного использования испытательного оборудования.

Выполнение расчётных и лабораторных заданий предусматривает изучение студентами заданий, связанных с ознакомлением технических условий (ТУ), технического задания (ТЗ), изучение проведения приемно-сдаточных испытаний, типов испытаний, испытаний на надежность и т.д.

4

1.ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИСПЫТАНИЙ

ИКОНТРОЛЯ ПРИБОРОВ И ЭЛЕКТРОННЫХ

СРЕДСТВ 1.1. Классификация приборов и систем

Современные приборы и системы широко применяются в жизни людей. В зависимости от их назначения различают измерительные, информационные, управляющие, регистрирующие, контрольные, испытательные, технические, наблюдательные и другие приборы и системы (табл.1.1).

Таблица 1.1

Назначение приборов и систем

В зависимости от физического принципа действия различают электрические, механические, электромеханические, пневматические, оптические, электронные, оптико-электронные и другие приборы и системы, в зависимости от области их применения. Все приборы и системы содержат в своем составе устройства, с помощью которых одна физическая величина (принимаемая

5

за входной сигнал) преобразуется в другую физическую величину (выходной сигнал). Такие устройства обычно имеют нормированные характеристики, т.е. выполняют необходимое преобразование в рамках установленных норм. В измерительных приборах и системах они называются измерительными устройствами (ИУ).

Основной функцией ИУ является преобразование величины, подаваемой на его вход, в сигнал, несущий информацию о свойствах этой величины. Поэтому к ИУ относится широкий круг средств измерений, включая измерительные приборы (ИП) и измерительные преобразователи (ИПр). Частично в него входят измерительные системы (ИС) и измерительные установки

(ИУс).

Измерительным прибором называется средство измерений, предназначенное для получения значения измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Отличительным признаком измерительного прибора является то, что его показания должны быть доступны для непосредственного восприятия потребителем информации, т.е. он всегда должен иметь устройство индикации (стрелочное, цифровое или иное), с которого непосредственно снимается показание.

По способу преобразования измерительного сигнала различают ИП прямого действия (прямого преобразования) и ИП сравнения (уравновешивающего преобразования). В ИП прямого действия измеряемая величина испытывает ряд последовательных измерительных преобразований, в результате которых она «доводится» до показания ИП. Погрешность таких ИП равна сумме погрешностей всех их звеньев. Поэтому для достижения высокой точности измерений все звенья таких ИП должны обладать высокой точностью. В результате ИП прямого действия уступают приборам уравновешивающего преобразования по точности. Однако такие приборы обладают более простой конструкцией

6

и высоким быстродействием. Поэтому они часто встречаются на практике.

ВИП уравновешивающего преобразования значение измеряемой величины определяют на основе ее сравнения с мерой, которая хранится в ИП или воспроизводится в нем с помощью отрицательной обратной связи. В таких ИП погрешности звеньев, охваченных обратной связью, оказывают меньшее влияние на общую погрешность измерений, чем в ИП прямого преобразования. Поэтому с помощью ИП уравновешивающего преобразования можно осуществлять прецизионные измерения. Недостатком таких ИП является более сложная конструкция и возможность потери устойчивости.

Взависимости от топологии обратной связи различают компенсационные и следящие ИП. В первом случае обратная связь «заводится» в промежуточную точку (внутрь) ИП, во втором – непосредственно на вход ИП. Благодаря этому следящие ИП отличаются более высокой точностью, однако, как правило, имеют более сложную конструкцию.

Взависимости от способа формирования сигнала обратной связи различают ИП с ручным, автоматическим и программным уравновешиванием. В ИП с ручным уравновешиванием сигнал обратной связи создается потребителем информации. В ИП с автоматическим уравновешиванием этот сигнал формируется автоматически.

ВИП программного уравновешивания он поступает от специального устройства, задающего программу уравновешивания.

Взависимости от значения сигнала уравновешивания в установившемся режиме измерений различают ИП астатического и статического уравновешивания. В ИП астатического уравновешивания этот сигнал равен нулю, в ИП статического уравновешивания – отличен от нуля.

По характеру вычислений, необходимых для получения результата измерений различают суммирующие и интегрирующие приборы, а также приборы с вычислением

7

сложной функции. Суммирующими называют приборы, в которых результат измерений образуется в результате суммирования его отдельных составляющих (например, суммирующий расходомер). Принцип действия интегрирующих ИП основан на использовании операции интегрирования (например, интегрирующий гироскоп). В ИП с вычислением сложной функции для формирования результата измерений используются сложные вычисления. В настоящее время такие приборы оснащаются встроенными микропроцессорами и микроконтроллерами. Благодаря этому становятся возможными реализация сложных алгоритмов вычислений и выполнение других необходимых функций: управление процессом измерений, адаптация к условиям измерений и пр. Такие приборы называются интеллектуальными. По уровню сложности и принципам структурной организации они приближаются к ИС и ИУс.

По способу индикации значения измеряемой физической величины ИП делятся на показывающие и регистрирующие. В показывающих ИП допускается только считывание показаний, в регистрирующих – их запись на бумажную ленту, магнитный носитель и пр., т.е. документирование и хранение результатов измерений. По способу записи показаний различают самопишущие и печатающие приборы. Если устройство индикации расположено на значительном расстоянии (дистанции) от объекта измерений, то соответствующие приборы называются дистанционными.

В зависимости от особенностей эксплуатации различают настенные, настольные, напольные, лабораторные, полевые, бортовые и другие приборы.

По виду выходного сигнала ИП делятся на аналоговые, цифровые и аналого-цифровые. Показание аналоговых ИП является непрерывной функцией измеряемой величины, т.е. при бесконечно малом изменении этой величины изменяется столь же мало. Такие приборы обычно имеют стрелочное или самопишущее отсчетное устройство. Показания цифровых ИП

8

представляются в цифровом виде. В них автоматически осуществляются дискретизация, квантование и кодирование измерительного сигнала. Благодаря этому цифровые ИП имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми приборами. Основные из них следующие: процесс измерения в цифровых ИП автоматизирован, цифровая форма показаний исключает субъективные ошибки измерений, связанные с неточным отсчетом показаний, возможна автоматическая обработка промежуточных результатов с целью исключения погрешностей вплоть до указания погрешности при каждом измерении. Благодаря этому стрелочные ИП постепенно заменяются цифровыми приборами. Вместе с тем цифровая форма показаний не всегда удобна для потребителя информации. Например, при цифровом отсчете высоты полета сложно прогнозировать изменение этой высоты в процессе управления движением летательного аппарата. По этой же причине спидометры автомобилей обычно оснащают стрелочной шкалой. Поэтому,

преобразование измерительного сигнала является источником дополнительной погрешности измерений. Поэтому высокая точность цифровых ИП обеспечивается не столько этим преобразованием, сколько теми дополнительными возможностями обработки измерительных сигналов, которые появляются благодаря цифровой форме их представления.

Измерительным преобразователем называется средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и/или хранения, но

9

атомам и молекулам, являющимся основой любого вещества, ИПр являются базовыми элементами всех приборов и систем.

По виду преобразуемых величин различают измерительные преобразователи электрических величин в электрические, электрических – в неэлектрические, неэлектрических – в электрические и неэлектрических в неэлектрические. Примерами первых могут служить делители напряжения и тока, измерительные трансформаторы, измерительные усилители, нормирующие преобразователи и пр.; примерами вторых – измерительные механизмы электроизмерительных приборов, электроприводы и пр.; примерами третьих – датчики неэлектрических величин и, наконец, примерами четвертых – упругие элементы приборов, передаточно-множительные механизмы и пр.

В зависимости от места в измерительном канале различают предварительный, первичный, промежуточные и выходной ИПр. Первичным называют ИПр, к которому с помощью предварительного ИПр «подводится» измеряемая физическая величина. Обычно этим ИПр является чувствительный элемент ИУ.

Совокупность ИПр, осуществляющих преобразование измеряемой величины в первичный электрический сигнал, называется датчиком первичной информации. Обычно датчик представляет собой отдельный конструктивный узел, который размещается на объекте измерений или вблизи него. Он правильно выполняет свою функцию («дает» измерительный сигнал), если для этого созданы все необходимые условия: подведено электрическое питание, выполнены требования по монтажу, обеспечена защита от нежелательных воздействий.

Датчик и предварительный преобразователь в наибольшей степени подвержены воздействию неблагоприятных факторов объекта измерений и окружающей среды. Поэтому погрешность измерительного прибора в основном зависит от наличия предварительного преобразователя и погрешностей датчика.

10